簡(jiǎn)易機(jī)器人常用輸出元件【區(qū)一等獎(jiǎng)】

簡(jiǎn)易機(jī)器人常用輸出元件學(xué)習(xí)導(dǎo)航1.簡(jiǎn)易機(jī)器人上常用的輸出元件有幾種？它們與控制器是怎樣連接的？2.如何根據(jù)需要選擇合適的輸出元件？現(xiàn)象與問(wèn)題電燈給我們帶來(lái)了光明；電視帶來(lái)了五彩繽紛的視覺(jué)享受；微波爐送來(lái)了可口的佳肴。電燈、電視、微波爐都是電能轉(zhuǎn)換設(shè)備，輸入是電能，輸出是光、圖像、聲音和熱。討論1.你還能舉出利用電能的設(shè)備或工具嗎？2.你能說(shuō)出上述設(shè)備的工作原理嗎？一、發(fā)光二極管發(fā)光二極管(LED)是很常用的顯示器件，手機(jī)的信號(hào)顯示燈PC機(jī)硬盤(pán)及光驅(qū)的指示燈等都是例子。簡(jiǎn)易機(jī)器人控制電路板上有若干個(gè)發(fā)光二極管，用來(lái)顯示各種工作狀態(tài)。二極管是一種半導(dǎo)體器件，根據(jù)施加電壓的極性，產(chǎn)生導(dǎo)通和不導(dǎo)通兩種效果。二極管由N型半導(dǎo)體（半導(dǎo)體中的電子攜帶電荷流動(dòng)）和P型半導(dǎo)體（電子遷移所?？昭〝y帶電荷流動(dòng)）結(jié)合而成，結(jié)合面被稱(chēng)為PN結(jié)。LED是二極管的一種，其原理是在PN結(jié)讓電子與空穴再次結(jié)合，此時(shí)產(chǎn)生的能量以發(fā)光的形式釋放出來(lái)。并非所有的二極管都會(huì)發(fā)光，只有含有鉀-砷、銦、磷等材料的半導(dǎo)體能夠發(fā)光，而含有硅、鍺等材料的半導(dǎo)體并不會(huì)發(fā)光。圖3.34為L(zhǎng)ED的外形及符號(hào)。為了限制LED中電流的大小，LED一般要與電阻串聯(lián)使用，如圖3.35所示。這種LED電路可以直接與單片機(jī)連接，如圖3.36所示。二、蜂鳴器簡(jiǎn)易機(jī)器人使用蜂鳴器發(fā)出聲音。對(duì)發(fā)聲器件進(jìn)行編程，我們就可以憑聲音來(lái)判斷機(jī)器人工作是否正常，有時(shí)聽(tīng)聲音比看LED發(fā)光更方便。壓電蜂鳴器是由壓電陶瓷發(fā)聲元件和振蕩電路組成的電聲元件。圖3.38(a)表示壓電陶瓷蜂鳴器的構(gòu)造，它是一個(gè)呈圓形的振動(dòng)片由壓電陶瓷片和金屬片粘貼而成，經(jīng)振蕩電路激勵(lì)后，產(chǎn)生共振發(fā)出清晰的聲音。圖3.39是壓電蜂鳴器的驅(qū)動(dòng)電路。給這個(gè)電路的控制輸入端輸入脈沖信號(hào)，壓電蜂鳴器發(fā)聲，否則不發(fā)聲。三、電磁繼電器平時(shí)與我們?yōu)榘榈碾娮油婢?、手機(jī)等都靠電池供電，電壓不超過(guò)36V。按國(guó)家電氣標(biāo)準(zhǔn)，低于36V才是安全電壓，允許人對(duì)該電壓值以下的電氣設(shè)備直接操作。我們知道，民用電網(wǎng)都是交流220V或380V，這么高的電壓很危險(xiǎn)，絕對(duì)禁止直接接觸那么，如果我們想用低壓電氣元件來(lái)控制高電壓的通斷，用什么方法呢？這就涉及繼電器的使用。圖3.40是幾種繼電器的外形。

繼電器是當(dāng)輸入量（或激勵(lì)量）滿足規(guī)定條件時(shí)，能在一個(gè)或多個(gè)電器輸出電路中產(chǎn)生躍變的一種器件。簡(jiǎn)單理解就是用一種電源控制另一種電源通斷的器件。繼電器的種類(lèi)很多，可以按工作原理、結(jié)構(gòu)特征、負(fù)載大小、防護(hù)特征等分類(lèi)，常見(jiàn)的有電磁繼電器、固態(tài)繼電器、晶體管繼電器、溫度繼電器、時(shí)間繼電器等。本節(jié)以電磁繼電器為例講解繼電器的原理。電磁繼電器的構(gòu)造如圖3.41所示。讓電流通過(guò)線圈，銜鐵便在電磁力作用下與接點(diǎn)b脫開(kāi)與接點(diǎn)a接觸，于是c與a導(dǎo)通：若線圈中電流中止，在彈簧作用下，銜鐵與接點(diǎn)a斷開(kāi)，與b恢復(fù)接觸，結(jié)果c點(diǎn)與b點(diǎn)導(dǎo)通。圖3.42是單片機(jī)與上述電磁繼電器的連接原理，由于單片機(jī)的I/O引腳無(wú)法直接驅(qū)動(dòng)繼電器線圈，所以增加了一個(gè)三極管進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。本教材機(jī)器人活動(dòng)所使用的繼電器是圖3.6中所示的雙刀雙擲式電磁繼電器，并用于控制電機(jī)的轉(zhuǎn)向。為方便使用，電機(jī)的啟停和方向控制電路都被集成在一個(gè)繼電器模塊中。四、電機(jī)

電機(jī)（本書(shū)指電動(dòng)機(jī)）在第一章就介紹過(guò)，機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)相當(dāng)于人的四肢，用來(lái)行走、操作等。驅(qū)動(dòng)機(jī)器人關(guān)節(jié)動(dòng)作的裝置叫驅(qū)動(dòng)裝置。簡(jiǎn)易機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)裝置絕大多數(shù)由電機(jī)擔(dān)當(dāng)。日常生活中可以見(jiàn)到各種各樣的電機(jī)，如電動(dòng)玩具使用的直流電機(jī)，空調(diào)、洗衣機(jī)里的交流電機(jī)，打印機(jī)里的步進(jìn)電機(jī)，等等。在簡(jiǎn)易機(jī)器人制作中，一般使用直流電機(jī)，有時(shí)也使用步進(jìn)電機(jī)，航模制作中常用的舵機(jī)也屬于直流電機(jī)。圖3.45是幾種型號(hào)的直流電機(jī)。1.直流電機(jī)的結(jié)構(gòu)直流電機(jī)的結(jié)構(gòu)型式很多，但基本的構(gòu)成是相同的，即必須有定子、轉(zhuǎn)子和換向裝置，如圖3.46所示。定子是固定在機(jī)座的圓桶狀部分，一般由永磁材料或能產(chǎn)生磁場(chǎng)的線圈構(gòu)成，小功率電機(jī)通常使用永磁材料。轉(zhuǎn)子由一根旋轉(zhuǎn)軸及固定其上的硅鋼片構(gòu)成，轉(zhuǎn)子外緣帶槽，槽內(nèi)有電樞繞組，電流通過(guò)繞組，轉(zhuǎn)子便開(kāi)始旋轉(zhuǎn)。為了使電機(jī)連續(xù)旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)軸尾部設(shè)有換向器，它與電刷始終保持接觸，能給繞組連續(xù)供電。換向器和電刷相互之間屬于機(jī)械接觸，因此電機(jī)高速旋轉(zhuǎn)時(shí)會(huì)有電氣噪聲產(chǎn)生，此時(shí)如果在電機(jī)兩端并聯(lián)一個(gè)電容，可抑制噪聲，減弱對(duì)控制電路的干擾。2.直流電機(jī)的驅(qū)動(dòng)我們知道，簡(jiǎn)單地將直流電機(jī)與電池連接就可以實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)動(dòng)。不過(guò)簡(jiǎn)易機(jī)器人需要對(duì)電機(jī)進(jìn)行開(kāi)關(guān)、方向和速度的控制，這就涉及電機(jī)的驅(qū)動(dòng)和調(diào)速問(wèn)題。圖3.47是一種廣泛使用的電機(jī)方向控制電路，用4個(gè)開(kāi)關(guān)來(lái)控制在電機(jī)上的電壓極性，從而達(dá)到控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)方向的目的。圖3.47的4個(gè)開(kāi)關(guān)中，如果讓對(duì)角線上的兩個(gè)開(kāi)關(guān)閉合，另一對(duì)斷開(kāi)，電機(jī)就可以實(shí)現(xiàn)正轉(zhuǎn)；反之，原對(duì)角線上閉合的開(kāi)關(guān)斷開(kāi)，斷開(kāi)的開(kāi)頭閉合，則電機(jī)反轉(zhuǎn)。圖3.47中的虛線代表了電流的方向。電機(jī)速度的調(diào)節(jié)可以靠改變電機(jī)兩端的電壓來(lái)實(shí)現(xiàn)。

脈寬調(diào)制(PWM)就是目前廣泛使用的電機(jī)調(diào)速方法，其原理（圖3.48）是向功放管的基極輸入一定頻率的高速脈沖（圖3.49），對(duì)應(yīng)于該基極開(kāi)關(guān)脈沖，電機(jī)兩端的電壓也呈現(xiàn)脈沖信號(hào)，由于輸入脈沖寬度的比例（占空比），即ON和OFF之比是可改變的，于是電機(jī)兩端的平均電壓得到調(diào)節(jié)。雖然在ON時(shí)間段內(nèi)施加電壓，在OFF時(shí)間段內(nèi)切斷電壓，但是電機(jī)中的電流并不會(huì)間斷，因?yàn)镺FF的時(shí)間間隔很短，電機(jī)繞組中的能量